Прогнозирование температурных полей ограждающих конструкций зданий и грунта для расчета тепловой изоляции инженерных коммуникаций в климатических условиях г. Якутска

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью обеспечения эффективной тепловой защиты инженерных коммуникаций при их подземной прокладке в зоне вечномерзлых грунтов. Цель работы: прогнозирование с использованием разработанного программного комплекса температурных полей в ограждающих конструкциях проектируемых зданий, грунте под зданием и вблизи его в климатических условия г. Якутска; разработка рекомендаций по эффективному утеплению инженерных сетей, прокладываемых подземно. Методы исследования. Предложена физико-математическая модель теплового состояния проветриваемого техподполья зданий с учетом воздухообмена и конструктивных особенностей строительства в условиях вечномерзлых грунтов; численное решение поставленной задачи с использованием разработанного программного комплекса; проведение натурных исследований. Результаты. Разработана расчетная схема прогнозирования температурных полей в ограждающих конструкциях проектируемых зданий, в грунте под зданием и вблизи его в климатических условиях г. Якутска. Проведено численное моделирование изменения температурных полей основных ограждающих конструкций зданий и грунте в течение года. Сравнительный анализ полученных результатов с эмпирическими показал их удовлетворительную согласованность. Осуществлен подбор эффективной толщины утепляющего слоя инженерных коммуникаций в условиях их подземной прокладки в зоне вечномерзлых грунтов. В результате проделанной работы была рассмотрена двумерная нестационарная симметричная задача теплопроводности в полуограниченном массиве с совокупностью граничных условий. Была предложена физико-математическая модель теплообмена техподполья здания с учетом влияния воздухообмена и снегового покрова снаружи здания. Была проведена серия натурных экспериментов в климатических условиях г. Якутска по определению типов грунта, находящихся в зоне строительства. Результаты численного моделирования показали, что теплота, поступающая через перекрытие над техподпольем и через стены, практически не влияет на температурное поле грунтов как под зданием, так и на расстоянии от него. В соответствии с проведенными исследованиями, температуры в массиве грунтов за пределами зоны строительства принимаются равными их естественным значениям. Сравнение результатов численного решения с решением, полученным из других теплотехнических компьютерных программ (например, Temper-3D), показало их удовлетворительную согласованность. Тем не менее, программа Temper-3D не учитывает воздухообмен в техподполье, который играет существенную роль при формировании температурных полей в ограждающих конструкциях и грунте.

The relevance of the research is caused by the necessity to maintain the effective heat insulation of engineering lines at their underground laying in a zone of permafrost soils. The aim of the research is to predict temperature fields in building envelopes using the developed program complex, and in ground under a building and near it in the climatic conditions of Yakutsk; work out recommendations for effective warming of the engineering networks laid underground. Methods. The authors propose physical-mathematical model of the thermal state of underground taking into account the air exchange and design features of construction in permafrost conditions Numerical solution of the problem using the developed software package is made. Results. The authors developed the computational scheme of predicting temperature fields in building envelopes, in the ground under a building and near it in climatic conditions of Yakutsk. Numerical simulation of temperature fields' change of the basic building envelopes and the soil during a year was carried out. The comparative analysis of the obtained results with the empirical ones shown their satisfactory coordination. The authors selected the effective thickness of a warming layer of engineering lines at their underground laying in a zone of permafrost. Two-dimensional non-stationary symmetric problem of heat conductivity in semi-limited mass with a set of boundary conditions was considered. The authors proposed physical-mathematical model of heat exchange in a technical underground of a building taking into account the influence of air exchange and snow cover outside of a building and carried out a series of field experiments in Yakutsk to define the types of soil in a zone of construction. The results of numerical simulation showed that the warmth coming through the ceiling over technical underground and through the walls, does not actually influence the temperature of soils both under the building, and at distance from it. According to the carried out researches, temperatures in soil mass outside the construction zone are equal to their natural values. Comparison of results of the numerical solution with the solution obtained from other computer programs (for example, Temper-3D) showed their satisfactory coordination. Nevertheless, the program Temper-3D does not consider air exchange in a technical underground, which plays an essential role in formation of temperature fields in building envelopes and soil.